Thermodynamics - matatizo na suluhisho
Sheria ya kwanza ya thermodynamics
1. Kulingana na grafu ya PV hapa chini, ni uwiano gani wa kazi iliyofanywa na gesi katika mchakato wa I, na kazi iliyofanywa na gesi katika mchakato wa II?
Inajulikana:
Mchakato wa 1:
Shinikizo (P) = 20 N/m 2
Kiasi cha awali (V 1 ) = lita 10 = 10 dm 3 = 10 x 10 -3 m 3
Kiasi cha mwisho (V 2 ) = lita 40 = 40 dm 3 = 40 x 10 -3 m 3
Mchakato wa 2:
Mchakato (P) = 15 N/m 2
Kiasi cha awali (V 1 ) = lita 20 = 20 dm 3 = 20 x 10 -3 m 3
Kiasi cha mwisho (V 2 ) = lita 60 = 60 dm 3 = 60 x 10 -3 m 3
Inayohitajika: Uwiano wa kazi inayofanywa na gesi
Suluhisho:
Kazi iliyofanywa na gesi katika mchakato wa I:
W = P ΔV = P (V 2 –V 1 ) = (20)(40-10)(10 -3 m 3 ) = (20)(30)(10 -3 m 3 ) = (600)(10 -3 m 3 ) = 0.6 m 3
Kazi iliyofanywa na gesi katika mchakato II:
W = P ΔV = P (V 2 –V 1 ) = (15)(60-20)(10 -3 m 3 ) = (15)(40)(10 -3 m 3 ) = (600)(10 -3 m 3 ) = 0.6 m 3
Uwiano wa kazi iliyofanywa na gesi katika mchakato wa I na mchakato wa II:
0.6 m 3 : 0.6 m 3
1: 1
2.
Kulingana na grafu iliyo hapa chini, ni kazi gani inayofanywa na gesi ya heliamu katika mchakato wa AB?
Inajulikana:
Shinikizo (P) = 2 x 10 5 N/m 2 = 2 x 10 5 Pascal
Kiasi cha awali (V 1 ) = 5 cm 3 = 5 x 10 -6 m 3
Kiasi cha mwisho (V 2 ) = 15 cm 3 = 15 x 10 -6 m 3
Inayohitajika: Kazi iliyofanywa na gesi katika mchakato AB
Suluhisho:
W = ∆P ∆V
W = P (V 2 – V 1 )
W = (2 x 10 5 )(15 x 10 -6 – 5 x 10 -6 )
W = (2 x 10 5 )(10 x 10 -6 ) = (2 x 10 5 )(1 x 10 -5 )
W = Jouli 2
3.
Kulingana na grafu iliyo hapa chini, ni kazi gani inayofanywa katika mchakato wa AB?
Inajulikana:
Shinikizo la awali (P 1 ) = 4 Pa = 4 N/m 2
Shinikizo la mwisho (P 2 ) = 6 Pa = 6 N/m 2
Kiasi cha awali (V 1 ) = 2 m 3
Kiasi cha mwisho (V 2 ) = 4 m 3
Inayohitajika: kazi imekamilika ninaishughulikia ab
Suluhisho:
Kazi iliyofanywa na gesi = eneo chini ya mkunjo ab
W = eneo la pembetatu + eneo la mstatili
W = ½ (6-4)(4-2) + 4(4-2)
W = ½ (2)(2) + 4(2)
W = 2 + 8
W = Jouli 10
4. Kulingana na grafu iliyo hapa chini, ni kazi gani iliyofanywa katika mchakato wa ABCA?
Suluhisho:
Kazi (W) = Eneo la pembetatu ABC
W = ½ (20-10)(6 x 10 5 – 2 x 10 5 )
W = ½ (10)(4 x 10 5 )
W = (5)(4 x 10 5 )
W = 20 x 10 5
W = 2 x 10 6 Joule
5. Injini hunyonya Jouli 2000 za joto kwenye halijoto ya juu na kutoa Jouli 1200 za joto kwenye halijoto ya chini. Ufanisi wa injini ni upi?
Inajulikana:
Ingizo la joto (Q H ) = Jouli 2000
Pato la joto (Q L ) = Jouli 1200
Kazi iliyofanywa na injini (W) = 2000 – 1200 = Jouli 800
Inayohitajika: ufanisi (e)
Suluhisho:
e = W / Q H
e = 800/2000
e = 0.4 x 100%
e = 40%
6. Injini hunyonya joto kwenye 960 Kelvin na injini hutoa joto kwenye 576 Kelvin. Ufanisi wa injini ni upi?
Inajulikana:
Halijoto ya juu (TH ) = 960 K
Halijoto ya chini (T L ) = 576 K
Inayohitajika: ufanisi (e)
Suluhisho:
Ufanisi wa injini ya Carnot = 0.4 x 100% = 40%
7. Kulingana na grafu iliyo hapa chini, kazi inayofanywa na injini ni Jouli 6000. Joto linalotolewa na injini ni kiasi gani kwa kila duara?
Inajulikana:
Kazi (W) = Joule 6000
Joto la juu (TH ) = 800 Kelvin
Halijoto ya chini (T L ) = 300 Kelvin
Inayohitajika: joto linalotolewa na injini
Suluhisho :
Ufanisi wa Kanoti (bora):
Joto linalofyonzwa na injini ya Carnot:
W = e Swali la 1
6000 = (0.625) Swali la 1
Swali la 1 = 6000 / 0.625
Swali la 1 = 9600
Joto linalotolewa na injini ya Carnot:
Swali la 2 = Swali la 1 – W
Swali la 2 = 9600 - 6000
Swali la 2 = Joule 3600
8. Ufanisi wa injini ya Carnot ni 40%. Ikiwa joto litafyonzwa kwa nyuzi joto 727°C basi joto la chini ni lipi?
Inajulikana:
Ufanisi (e) = 40% = 40/100 = 0.4
Halijoto ya juu (TH ) = 727 o C + 273 = 1000 K
Inahitajika: Halijoto ya chini
Suluhisho:
T L = 600 Kelvin – 273 = 327 o C
9. Kulingana na grafu iliyo hapa chini, ikiwa injini inachukua 800 J ya joto, ni kazi gani inayofanywa na injini.
Inajulikana:
Joto la juu (TH ) = 600 Kelvin
Halijoto ya chini (T L ) = 250 Kelvin
Ingizo la joto (Swali la 1 ) = Joule 800
Inayohitajika: Kazi (W)
Suluhisho:
Ufanisi wa injini ya Carnot:
Kazi ilifanywa na injini:
W = e Swali la 1
W = (7/12)(Jouli 800)
W = Jouli 466.7
10. Joto la juu la injini ya Carnot ni 600 K. Ikiwa injini inachukua 600 J ya joto na joto la chini ni 400 K, kazi gani inayofanywa na injini?
Inajulikana:
Halijoto ya chini (T L ) = 400 K
Halijoto ya juu (TH ) = 600 K
Ingizo la joto (Swali la 1 ) = Joule 600
Inayohitajika: Kazi ilifanywa na injini ya Carnot (W)
Suluhisho:
Ufanisi wa injini ya Carnot:
Kazi ilifanywa na injini ya Carnot:
W = e Swali la 1
W = (1/3)(600) = Jouli 200
- Je, lengo kuu la thermodynamics ni lipi? Jibu: Thermodynamics huzingatia utafiti wa nishati, mabadiliko yake, na uhusiano wake na maada, hasa katika mifumo iliyo katika usawa.
- Sheria ya sifuri ya thermodynamics inahusianaje na halijoto? Jibu: Sheria ya sifuri inasema kwamba ikiwa mifumo miwili kila mmoja uko katika usawa wa joto na mfumo wa tatu, basi iko katika usawa wa joto na kila mmoja. Hii inaashiria kuwepo kwa sifa inayoitwa halijoto, ambayo ni sawa kwa mifumo yote katika usawa wa joto.
- Sheria ya kwanza ya thermodynamics inaelezea nini? JibuSheria ya kwanza, ambayo pia inajulikana kama sheria ya uhifadhi wa nishati, inasema kwamba nishati haiwezi kuundwa au kuharibiwa, hubadilishwa tu kutoka umbo moja hadi jingine. Katika mfumo uliofungwa, mabadiliko ya nishati ya ndani ni sawa na joto linaloongezwa kwenye mfumo bila kazi inayofanywa na mfumo kwenye mazingira yake.
- Kwa nini sheria ya pili ya thermodynamics ni muhimu kwa kuelewa mwelekeo wa michakato ya asili? Jibu: Sheria ya pili inasema kwamba entropi (au ugonjwa) wa mfumo uliotengwa huongezeka au hubaki bila kubadilika. Hii inaamuru kwamba nishati hutawanyika bila kubadilika ikiwa haitazuiliwa kufanya hivyo, ikitoa mwelekeo wa michakato ya asili na kimsingi kuelezea kwa nini michakato fulani hutokea bila kubadilika huku mingine ikishindwa.
- Entropy ni nini, na inahusianaje na machafuko katika mfumo? Jibu: Entropy ni kipimo cha kiasi cha nishati katika mfumo ambao haupatikani kufanya kazi. Pia mara nyingi huelezewa kama kipimo cha machafuko au ubadilikaji wa mfumo. Kwa ujumla, entropy ya juu inalingana na machafuko au ubadilikaji mkubwa.
- Sheria ya tatu ya thermodynamics inaelezeaje entropi ya fuwele kamilifu kwenye sifuri kabisa? JibuSheria ya tatu inasema kwamba entropi ya fuwele kamilifu ni sifuri haswa kwenye halijoto sifuri kabisa (0 Kelvin). Hii ina maana kwamba kwenye halijoto hii, mfumo umepangwa kikamilifu.
- Kwa nini joto haliwezi kutoka kwenye mwili baridi zaidi hadi kwenye mwili wenye joto zaidi peke yake? Jibu: Tabia hii ni matokeo ya sheria ya pili ya thermodynamics. Ikiwa joto lingetiririka kutoka kwa mwili baridi zaidi hadi kwenye mwili wenye joto zaidi bila mpangilio, lingesababisha kupungua kwa entropi ya jumla ya mfumo, ambayo haipendelewi na michakato ya asili.
- Kuna tofauti gani kati ya mfumo uliotengwa, uliofungwa, na ulio wazi katika thermodynamics? Jibu: Mfumo uliotengwa haubadilishi nishati au maada na mazingira yake. Mfumo uliofungwa unaweza kubadilishana nishati lakini haijalishi na mazingira yake. Mfumo ulio wazi unaweza kubadilishana nishati na maada na mazingira yake.
- Je, dhana ya "kazi" katika thermodynamics inatofautianaje na matumizi ya kila siku ya neno hilo? Jibu: Katika thermodynamics, "kazi" inarejelea mchakato wa uhamishaji wa nishati ambapo nguvu zinazotumika kwenye kitu hukisogeza katika mwelekeo sambamba na nguvu. Kwa mfano, gesi inapopanuka dhidi ya pistoni, inafanya kazi kwenye pistoni. Huu ni ufafanuzi maalum zaidi ikilinganishwa na matumizi ya kila siku ya "kazi," ambayo inaweza kumaanisha tu kazi au shughuli yoyote.
-
Mzunguko wa Carnot ni nini, na kwa nini ni muhimu katika thermodynamics? Jibu : Mzunguko wa Carnot ni mzunguko wa thermodynamic ulioboreshwa ambao hutoa kikomo cha juu cha ufanisi ambao injini yoyote ya thermodynamic ya kawaida inaweza kufikia wakati wa ubadilishaji wa joto kuwa kazi (au kinyume chake). Ni muhimu kwa sababu huweka kikomo cha msingi cha ufanisi kulingana na halijoto ya hifadhi ya joto ambayo injini inafanya kazi kati yake.
